王 潔，潘楊月，鄭 榮，陸 松

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢, 430081；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥, 230026)

飛機(jī)貨艙低氣壓環(huán)境對(duì)火災(zāi)探測參量影響研究

王 潔1,2*，潘楊月1，鄭 榮2，陸 松2

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢, 430081；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥, 230026)

旨在為飛機(jī)貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制提供理論支撐，在飛機(jī)貨艙環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)開展了70 kPa、80 kPa、 90 kPa和100 kPa下正庚烷火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，分析了低氣壓環(huán)境對(duì)頂棚溫度、煙氣密度和氣體濃度火災(zāi)探測參量的影響規(guī)律。低壓下空氣密度較小，卷吸系數(shù)減小，導(dǎo)致頂棚最高溫升增加，頂棚溫度衰減變快。同時(shí)，低壓下煙氣密度降低，并與壓力呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)系數(shù)約為0.946，擴(kuò)展了前人研究結(jié)果的應(yīng)用范圍。CO濃度最大值隨壓力降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。CO2增長速率隨著壓力降低而略有減小。

飛機(jī)貨艙；低氣壓環(huán)境；火災(zāi)探測；頂棚溫度；煙氣密度

0 引言

飛機(jī)貨艙火災(zāi)如果得不到有效控制，可能導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生災(zāi)難性的安全事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。飛機(jī)貨艙火災(zāi)探測是預(yù)防飛機(jī)火災(zāi)事故的關(guān)鍵。飛機(jī)貨艙內(nèi)壓力隨著飛行高度增加而下降，其中，民航客機(jī)在巡航高度10000 m時(shí)，貨艙壓力約為80 kPa。前人研究[1]表明低氣壓環(huán)境會(huì)延遲火災(zāi)煙霧探測器響應(yīng)時(shí)間，甚至使其不能給出火警信號(hào)。同時(shí)，壓力降低的過程中，水霧會(huì)形成，也會(huì)造成煙霧探測器的誤報(bào)[2]。

環(huán)境壓力對(duì)燃燒的影響得到了一些學(xué)者的關(guān)注[3-7]。研究[3,4]發(fā)現(xiàn)燃料質(zhì)量損失速率隨壓力降低而減小，呈指數(shù)關(guān)系，并與火源尺寸有關(guān)。Li，Yao，Niu等學(xué)者[4-6]發(fā)現(xiàn)低壓下火焰高度增加，并探討建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表征模型。高壓燃燒室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煙顆粒濃度與環(huán)境壓力有很強(qiáng)的依賴關(guān)系[7]。因此，低氣壓環(huán)境下腔室內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)可能會(huì)與常壓情況下煙氣分布不同。相應(yīng)地，頂棚處火災(zāi)探測參量也會(huì)隨著壓力變化而改變。但是，前人研究大多關(guān)注于低氣壓環(huán)境對(duì)火焰溫度及高度的影響，并通過在高壓低壓環(huán)境中開展大量實(shí)驗(yàn)，建立相關(guān)火焰溫度及高度表征模型。而關(guān)于低氣壓環(huán)境下火災(zāi)探測參量變化規(guī)律的研究非常少。因此，旨在為飛機(jī)貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制提供理論基礎(chǔ)，探討低氣壓環(huán)境對(duì)火災(zāi)探測參量(煙氣溫度、煙氣密度、氣體濃度)的影響具有實(shí)際應(yīng)用意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)全尺寸飛機(jī)貨艙環(huán)境模擬艙內(nèi)完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，模擬艙內(nèi)壓力可以維持在設(shè)定值。該實(shí)驗(yàn)艙由主體腔室、壓力控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和其他配套系統(tǒng)(如照明和監(jiān)視系統(tǒng))構(gòu)成。主體腔室是一個(gè)具有弧形壁面的扁平柱體，如圖1，壁面為8 mm不銹鋼板。腔室內(nèi)部尺寸為長467.0 cm、高112.0 cm、底部寬122 cm、頂部寬300 cm，與波音737-700前貨艙尺寸相同。前后壁面裝有抗高壓矩形門，門上面開有矩形鋼化玻璃觀察窗。左右弧形側(cè)壁上也設(shè)有兩個(gè)矩形鋼化玻璃觀察窗，便于實(shí)驗(yàn)人員直觀觀察內(nèi)部實(shí)驗(yàn)情況。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)壓力由真空泵及其配套控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。在進(jìn)行低氣壓環(huán)境火災(zāi)實(shí)驗(yàn)前，先啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)，真空泵以設(shè)定的速率將腔室抽成設(shè)定的低壓環(huán)境。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，壓力控制系統(tǒng)會(huì)使艙體內(nèi)部維持在設(shè)定壓力，上下浮動(dòng)不超過3%。壓力調(diào)節(jié)范圍為70 kPa～100 kPa。本研究中壓力分別設(shè)定為100 kPa、90 kPa、80 kPa、70 kPa，對(duì)應(yīng)真實(shí)飛機(jī)在海平面和巡航高度(約為10000 m)下的貨艙內(nèi)壓力。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of experiment setup

根據(jù)火災(zāi)探測器檢測標(biāo)準(zhǔn)[8,9]，本文燃料選用正庚烷?？紤]到本文研究內(nèi)容服務(wù)于飛機(jī)貨艙火災(zāi)探測系統(tǒng)，探測器所監(jiān)測的煙氣特征參量不會(huì)過大，同時(shí)參考前人研究[10]中火源設(shè)計(jì)，本文實(shí)驗(yàn)采用的油盤均為小尺寸，位于腔室地板中心，如圖1所示。油盤由3 mm厚鋼板制成，內(nèi)部深30 mm。油盤尺寸分別為12 cm×12 cm (D12)、10 cm×10 cm (D10)、8 cm×8 cm (D8)、6 cm×6 cm (D6)，每次實(shí)驗(yàn)中液體高度均為10 mm。采用精度為0.01 g的電子天平測量燃料質(zhì)量損失，測量記錄時(shí)間間隔為1 s。由于底部放置電子天平，火源初始高度為7 cm。貨艙頂棚布置9根熱電偶(TC-1～TC-9)，水平間距均為0.55 m。所有熱電偶均為精度±1%直徑1 mm的K型熱電偶。四種氣體傳感器安裝在頂棚Y軸1.20 m處，分別測量腔室內(nèi)四種濃度，測量精度分別為±3%、±3%、±1%、±2%。一組激光發(fā)射裝置放置在靠近熱電偶束，激光路徑為1 m。最初環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別為23℃～25℃和67%～69 %。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 頂棚溫度分布

頂棚最高溫升是穩(wěn)定階段350 s～450 s內(nèi)實(shí)驗(yàn)測得穩(wěn)定的平均值。圖2是不同壓力下頂棚最高溫升。從圖2中可以看出，頂棚最高溫升隨著壓力的降低而增加，變化區(qū)域與火源質(zhì)量損失速率相反。前人[11]通過常壓(1 atm)和低壓(0.64 atm)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低壓(0.64 atm)情況下卷吸系數(shù)小于常壓情況下卷吸系數(shù)。因此，在低壓環(huán)境中，燃燒區(qū)域會(huì)被拉伸，火焰高度也會(huì)隨之增高。低壓環(huán)境下空氣密度較小，相同質(zhì)量的燃料需要更長的卷吸范圍來獲取更多的新鮮空氣以支撐燃料的完全燃燒，因此火焰高度增加。

圖2 不同壓力下頂棚最高溫升Fig.2 Maximum ceiling temperature rise versus pressure

圖3是不同壓力下頂棚溫度衰減情況。頂棚溫升是穩(wěn)定燃燒階段350 s～450 s內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。從圖3中可以看出，對(duì)于相同尺寸油盤，靠近火源處(r/H=0.5，其中r為測點(diǎn)至火源中心線的距離，H為貨艙頂棚高度)頂棚溫升在低壓情況下大于常壓下，而在距離火源較遠(yuǎn)處(r/H=2)頂棚溫升在不同壓力下基本相同。也就是說，不同壓力下頂棚溫度衰減速率不同。隨著壓力的降低，頂棚溫度衰減更快。低壓情況下火源質(zhì)量損失速率減小，熱釋放速率減小，從而使沿著頂棚蔓延至遠(yuǎn)處的煙氣溫度降低，即使煙氣流動(dòng)過程中與冷空氣和腔室壁面熱損失不變。

圖3 不同壓力下頂棚溫度衰減規(guī)律Fig.3 Ceiling temperature decay profile under different pressures

2.2 煙氣密度

圖4是油盤D10和D8在不同壓力下減光系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，對(duì)于同樣尺寸的油盤，減光系數(shù)會(huì)隨著壓力降低而降低。而油盤D12和D6具有相同的變化規(guī)律，因此下文中均只討論油盤D10和D8。例如：油盤D10在70 kPa時(shí)最大減光系數(shù)為2.25 m-1，比100 kPa時(shí)的2.41 m-1減少了0.16 m-1。目前飛機(jī)貨艙內(nèi)廣泛使用的火災(zāi)探測器是光電煙霧探測器，低壓環(huán)境下較小的減光系數(shù)會(huì)延遲探測器報(bào)警時(shí)間，甚至使其不能發(fā)出正常報(bào)警信號(hào)。

圖4 不同壓力下減光系數(shù)隨時(shí)間變化情況Fig.4 Light extinction coefficient under different pressures versus time

圖5是300 s時(shí)不同壓力下減光系數(shù)值?？梢钥闯觯瑴p光系數(shù)與壓力呈指數(shù)關(guān)系，具體關(guān)系式如下：

(1)

其中，χ2為0.946.

圖5 300 s時(shí)減光系數(shù)與壓力關(guān)系Fig.5 Light extinction coefficient at 300 s versus pressure

前人[12]研究了壓力(0.1 MPa～0.73 MPa)對(duì)丙烷層流擴(kuò)散火焰中煙顆粒組成的影響，發(fā)現(xiàn)煙塵體積分?jǐn)?shù)fv(m-3)正比于壓力，具體如下：

(2)

其中，當(dāng)壓力范圍為100 kPa～4000 kPa時(shí)，n大于0.9。因此，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在70 kPa～100 kPa區(qū)間范圍內(nèi)煙氣密度具有相似的規(guī)律。

2.3 氣體濃度

圖6是不同壓力下CO濃度隨時(shí)間變化曲線。整體變化趨勢成線性。相同尺寸油盤的CO濃度最大值會(huì)隨著壓力降低而增加。70 kPa時(shí)的CO濃度最大值幾乎是100 kPa時(shí)的2倍。造成CO濃度增加的原因有以下兩點(diǎn)：1、低壓下氧氣濃度降低，不完全燃燒產(chǎn)物CO量增多；2、低壓情況下煙氣沉降速度減慢，從而使大量煙氣積聚在頂棚下。

圖6 不同壓力下CO濃度隨時(shí)間變化情況Fig.6 CO concentration under different pressures versus time

圖7進(jìn)一步給出300 s時(shí)CO增長速率與壓力關(guān)系?？梢钥闯?，CO增長速率隨著壓力降低而逐漸增大，與壓力呈指數(shù)關(guān)系，油盤D10和D8的指數(shù)系數(shù)分別為-0.95和-1.06。

圖8是不同壓力下CO2濃度隨時(shí)間變化曲線。整個(gè)燃燒過程中CO2幾乎呈線性增長趨勢。相同尺寸油盤下，低壓情況下CO2濃度略小于常壓情況。與CO濃度最大值相比，壓力對(duì)CO2濃度最大值影響較小。低壓下CO2濃度增長更加緩慢，由于在低壓環(huán)境中較低的火源質(zhì)量損失速率。表1是300 s時(shí)CO2增長速率，在低壓情況下略有減少。油盤D10和D8的CO2增長速率在壓力從100 kPa降至70 kPa時(shí)分別減少了2.41 ppm/s和1.3 ppm/s。

圖7 300 s時(shí)CO增長速率與壓力關(guān)系Fig.7 Increase rate of CO concentration at 300 s versus pressure

圖8 不同壓力下CO2濃度隨時(shí)間變化情況Fig.8 CO2 concentration under different pressure versus time

油盤尺寸(cm)100kPa90kPa80kPa70kPaD108．667．687．146．25D84．533．733．583．23

3 結(jié)論

在飛機(jī)貨艙環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙70 kPa～80 kPa壓力范圍內(nèi)開展了正庚烷實(shí)驗(yàn)，研究了壓力對(duì)頂棚溫度、煙氣密度和氣體濃度火災(zāi)探測參量的影響.主要結(jié)論如下：

1.低壓情況下火焰中心對(duì)應(yīng)頂棚位置溫度增大，頂棚溫度沿徑向向外衰減比常壓情況更快。

2.煙氣密度隨著壓力降低而減小，與壓力呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)系數(shù)約為0.946。

3.CO濃度最大值隨壓力降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。CO2增長速率隨著壓力降低而略有減少。

[1] 王彥. 西藏低壓環(huán)境受限空間頂棚射流區(qū)火災(zāi)煙霧信號(hào)規(guī)律與探測算法研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[2] Wieser D, et al. The influence of high altitude on fire detector test fires[J]. Fire Safety Journal, 1997, 29(2): 195-204.

[3] Fang J, et al. The influence of low atmospheric pressure on carbon monoxide of n-heptane pool fires[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 154(1): 476-483.

[4] Li ZH, et al. Combustion characteristics of n-heptane and wood crib fires at different altitudes[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 2481-2488.

[5] Yao W, et al. Experimental study of large-scale fire behavior under low pressure at high altitude[J]. Journal of Fire Sciences, 2013, 31(4): 481-494.

[6] Niu Y, et al. Experimental study of burning rates of cardboard box fires near sea level and at high altitude[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2013, 34(2): 2565-2573.

[7] Joo HI, Guelder OL. Soot formation and temperature field structure in co-flow laminar methane-air diffusion flames at pressures from 10 to 60atm[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(1): 769-775.

[8] AS 8036, Cargo compartment fire detection instruments[S].

[9] BS EN-54-9-1984, Fire sensitivity tests[S].

[10] Krull W, et al. Design and test methods for a video-based cargo fire verification system for commercial aircraft[J]. Fire Safety Journal , 2006, 41(4): 290-300.

[11] Tang F, et al. An experimental investigation on temperature profile of buoyant spill plume from under-ventilated compartment fires in a reduced pressure atmosphere at high altitude[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(21): 5642-5649.

[12] Bento DS, et al. Soot formation and temperature field structure in laminar propane-air diffusion flames at elevated pressures[J]. Combustion and Flame, 2006, 145(4): 765-778.

Experimental investigation on the influence of low pressure on fire detection signals in aircraft cargo compartment fires

WANG Jie1,2, PAN Yangyue1，ZHENG Rong2，LU Song2

(1. School of Resource and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this work, experiments of n-heptane fires were conducted in a simulated aircraft cargo compartment at 70 kPa, 80 kPa, 90 kPa and 100 kPa to study the influence of low pressure on fire detection signals including the ceiling temperature, smoke density and gas concentration. The purpose is to provide theoretical basic on the design of fire detection systems for aircraft cargo compartments. Because of the low air density in low pressure, the entrainment coefficient decreases. Therefore, the maximum ceiling temperature increases, and the ceiling temperature decays faster in low pressure. Besides, the smoke density decreases in low pressure and is proportional to ambient pressure with exponential factor 0.946. The maximum value of CO concentration increases and its increase rate increases by a minus exponential factor in low pressure. The maximum value of CO2concentration and its increase rate decrease slightly with decreasing pressure.

Aircraft cargo compartment; Low pressure; Fire detection; Ceiling temperature; Smoke density

2016-07-11；修改日期：2016-08-18

火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(HZ2016-KF08)，武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計(jì)劃(2016xz007)。

王潔(1987-)，女，講師，主要從事特殊空間火災(zāi)煙氣特性研究。

王潔，E-mail: wangjie87@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00213-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.08

X936;X932

A